水下巖塞爆破及其在水利工程中的應(yīng)用

焦忠?guī)?/p>

(中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧 沈陽 110179)

1 引 言

為了達到泄洪、灌溉、取水、發(fā)電等目的，需要在天然形成的湖泊或已建成的電站水庫中修建泄洪隧洞或者引水隧洞。但是，若按常規(guī)方法施工，因泄洪隧洞或者引水隧洞的進水口多位于水下數(shù)十米深處，須在進水口處修筑圍堰將進水口圍住，并利用水泵將圍堰內(nèi)水抽干達到旱地施工條件后，再進行進水口的開挖、支護、混凝土澆筑等施工。然而，在天然湖泊或已建水庫內(nèi)水位較深的情況下修筑水下圍堰時，施工較為困難，又不經(jīng)濟，特殊情況下甚至不可能施作水下圍堰。經(jīng)過工程實踐，在進水口利用預(yù)留一塊貌似瓶塞子的巖體來擋水，直至后部巖體隧洞建好、完成擋水任務(wù)后，再利用爆破方式將預(yù)留巖體炸掉來開挖水下進水口的爆破技術(shù)便是水下巖塞爆破[1]。隨著爆破技術(shù)的不斷應(yīng)用和發(fā)展，水下巖塞爆破在越來越多的水利工程中被廣泛地應(yīng)用，并取得了十分顯著的效果。水下巖塞爆破是一個施工速度快、節(jié)省工程占地、節(jié)省工程投資、不受施工季節(jié)影響且切實可行的水利工程施工方法。

2 水下巖塞爆破發(fā)展和應(yīng)用

在國外，水下巖塞爆破技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用得比較早。在天然湖泊引水中，智利在1877年最早公布了水下巖塞爆破技術(shù)的應(yīng)用情況。瑞士、挪威、法國等國在20世紀也利用水下巖塞爆破來開發(fā)天然湖泊。起初，這些國家采用水下巖塞爆破開發(fā)天然湖泊時，僅應(yīng)用在小洞徑的工程上。直至20世紀60年代，加拿大才將水下巖塞爆破技術(shù)應(yīng)用到大直徑的休德巴斯水電站引水隧洞進水口的開挖。休德巴斯水電站引水隧洞進水口位于水下15m左右，巖塞直徑18m，厚度21m，石方爆破量約10000m3，總裝藥量為27000kg，是當時應(yīng)用水下巖塞爆破技術(shù)規(guī)模最大的工程。1970年，引水洞進水口位于水下85m的挪威阿斯卡拉水電站爆破通水成功，是當時水下最深的巖塞爆破工程。意大利、秘魯、英國等國在水利工程修建水下進水口時也采用過水下巖塞爆破技術(shù)[2]。

在國內(nèi)，從20世紀70年代開始，水下巖塞爆破技術(shù)也逐步發(fā)展起來。經(jīng)大量的工程實踐，在爆通進水口成型、設(shè)計方法、藥室布置、爆破藥量及爆后巖渣處理措施等方面水下巖塞爆破技術(shù)都有所創(chuàng)新和應(yīng)用，并取得令人滿意的效果。1971年7月18日，遼寧省清河熱電廠供水隧洞進水口爆破成功，標志著水下巖塞爆破技術(shù)成功地應(yīng)用到我國水利工程施工中[3]。隨后，1972年11月施工爆破成功的七一水庫引水及泄洪洞、1979年1月施工爆破成功的香山水庫泄洪洞、1979年5月施工爆破成功的豐滿水庫泄水洞、1984年9月施工爆破成功的橫錦水庫放空隧洞、1994年10月施工爆破成功的密云水庫泄水洞、1995年4月施工爆破成功的汾河水庫泄洪洞進口、1997年4月施工爆破成功的貴州印江巖口應(yīng)急工程、1999年8月施工爆破成功的響洪甸抽水蓄能電站、2011年5月施工爆破成功的塘寨電廠取水口、2014年6月施工爆破成功的長甸水電站改建工程、2015年9月施工爆破成功的劉家峽水電站洮河口排沙洞等工程都應(yīng)用了水下巖塞爆破技術(shù)[4]。其中，水下巖塞爆破規(guī)模最大的豐滿水庫泄水洞進水口巖塞直徑11m，巖塞進水口位于水下20m，土石方爆破量4419m3，總裝藥量4075.6kg；長甸電站改建工程進水口巖塞直徑10～14.6m、巖塞段厚度12.5m，巖塞進水口位于水下約60m，是目前國內(nèi)最大的全排孔巖塞爆破工程；劉家峽水電站洮河口排沙洞巖塞直徑10～21.6m，巖塞最小厚度12.3m，巖塞進水口位于水下約70m且?guī)r塞體上部被平均厚度27m的淤泥沙層覆蓋著，塞體爆破方量約2606m3，是國內(nèi)外首例高水頭、大直徑、厚淤沙層覆蓋的水下巖塞爆破工程。國內(nèi)水下巖塞爆破技術(shù)的應(yīng)用，不僅收集了極有價值的資料，而且積累了豐富的應(yīng)用經(jīng)驗，為日后水下巖塞爆破技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

3 水下巖塞爆破設(shè)計原則及設(shè)計方法

3.1 水下巖塞爆破設(shè)計原則

常年在水下運行工作的巖塞進水口，須保證有一個良好的運行條件。這樣就需要充分考慮水下巖塞爆破設(shè)計方案，經(jīng)工程應(yīng)用實踐總結(jié)出設(shè)計原則如下：

a.巖塞爆破不得出現(xiàn)爆破不完全或者出現(xiàn)拒爆現(xiàn)象，必須一次爆破成型。

b.巖塞爆破后巖塞開口處要具有良好的水力學條件，滿足巖塞頂部和底部的進水流態(tài)的要求。

c.巖塞爆破后巖塞周圍不得發(fā)生坍塌、滑坡等，須保證圍巖的穩(wěn)定性和完整性。

d.巖塞厚度要滿足爆破施工安全要求，保證在水壓力作用下巖塞體的穩(wěn)定性，同時要確保巖塞爆破周邊建(構(gòu))筑物的安全性。

e.巖塞爆破不得發(fā)生洞內(nèi)瞬時堵塞事故，須合理設(shè)置集渣坑的大小和形狀，保證爆落巖渣順暢下泄，并減輕下泄的巖渣對泄洪洞或引水洞產(chǎn)生的磨損和影響。

3.2 水下巖塞爆破設(shè)計方法

3.2.1 炮孔布置

在通常的水利工程爆破過程中僅存在一個臨空面，而水下巖塞爆破存在兩個臨空面，這兩個向前向后的臨空面同時爆破。根據(jù)普氏公式計算炮孔數(shù)目，并結(jié)合炸藥性能、爆破方量、巖塞體形狀、巖石性質(zhì)、巖塞斷面等因素綜合考慮確定炮孔位置[5]。為了使開挖面上形成一個狹窄的臨空面，便于掏槽孔爆破時石渣能被拋擲出來，巖塞爆破一般采取在巖塞中心開挖面上布設(shè)較大直徑的中心空孔的掏槽方式。根據(jù)爆破裝藥結(jié)構(gòu)要求，每一圈爆破孔數(shù)依次增加，結(jié)合巖塞形狀均勻布置，每一圈爆破孔按每隔50～100cm間距布置，并參照爆破試驗參數(shù)及時調(diào)整炮孔數(shù)量。在開挖的作業(yè)面上布置掏槽孔和周邊孔，然后在兩者之間均勻地布置輔助孔和主爆孔。掏槽孔用于巖塞爆通、掏槽揭頂；周邊孔不僅可以維護圍巖穩(wěn)定、減少震動，而且可形成一個預(yù)裂面保證巖塞爆后成型；主爆孔又稱擴大孔，主要用于爆去巖塞體內(nèi)石方、擴大爆破成型形成過水斷面。

3.2.2 孔徑和孔深

為了提高爆破效果，一般采用大孔徑的炮孔進行巖塞爆破。巖塞爆破的掏槽孔、輔助掏槽孔、中心空孔、主爆孔的炮孔直徑一般采用90～100mm。周邊輪廓孔多采用光面爆破方式，周邊輪廓孔的炮孔直徑D≥40mm[6]。

根據(jù)地質(zhì)條件、爆孔直徑和巖塞厚度等因素確定鉆孔深度。經(jīng)工程實踐發(fā)現(xiàn)，巖塞爆破效果的好壞與孔底距巖面的距離息息相關(guān)。結(jié)合工程實踐經(jīng)驗并分析地質(zhì)條件合理確定孔底距巖面距離，一般情況下，孔底距巖面距離可在50～100cm之間選取，當?shù)刭|(zhì)條件較好時可適當減少。因此，每個炮孔的孔深比巖塞體厚度小50～100cm左右[7]。

3.2.3 藥量計算

3.2.3.1 總藥量計算

巖塞爆破總藥量計算公式為

Q=KV

式中Q——巖塞爆破總藥量，kg；

V——巖塞爆破體積，m3；

K——單耗藥量，一般取1.1～1.8kg/m3。

3.2.3.2 掏槽孔裝藥量計算

通常情況下，先根據(jù)集中藥包公式計算出掏槽揭頂總藥量，再進行分配獲得每個掏槽孔的藥量[8-9]。集中藥包公式為

Q=KW3f(n)

式中Q——掏槽孔集中藥包裝藥量，kg；

W——最小抵抗線，m；

K——單耗藥量，kg/m3；

n——爆破作用指數(shù)，n=0.5～1.0(下部藥包時),n=1.5～1.8(上部藥包時)；

f(n)——爆破作用指數(shù)函數(shù)，f(n)=0.4+0.6n3。

3.2.3.3 周邊孔藥量計算

周邊孔炮孔間距在30～45mm之間，炮孔直徑在40～55mm之間。為避免巖塞爆破孔底巖層夾制作用的影響，可適當增加孔底一定范圍內(nèi)的裝藥量。一般情況下，周邊孔裝藥量控制在270～300g/m。

3.2.3.4 主爆孔裝藥量計算

每個主爆孔裝藥量根據(jù)公式計算，主爆孔裝藥長度按鉆孔深度的0.5～0.7倍考慮。計算公式為

q=K′WaL

式中q——每個主爆孔裝藥量，kg；

W——最小抵抗線，m；

K＇——松動爆破單耗量,kg/m3，一般為K的1/3～2/3；

a——鉆孔間距，m,一般為最小抵抗線的0.5～0.7倍；

L——鉆孔深度，m。

4 水下巖塞爆破應(yīng)用實例

4.1 工程概況

桓集隧道工程位于吉林省通化地區(qū)集安市境內(nèi)，進水口布置在秋皮河水庫庫區(qū)右岸。桓集隧道工程主要包括隧洞貫通爆破試驗段、隧洞連接段、鎖口段、集渣坑、巖塞爆破專項試驗、巖塞爆破及附屬工程等。桓集隧道工程進水口位于水下40m左右，巖塞開口斷面采用倒圓臺形(爆破漏斗形)，巖塞直徑7.3～13.2m，巖塞體厚度11m，巖塞中心線傾角為55°。為了獲取合理的爆破參數(shù)和爆破技術(shù)以使正式巖塞爆破施工時達到預(yù)期的應(yīng)用效果，預(yù)留30m未貫通隧洞段作為爆破試驗段。爆破試驗段巖塞體采用小圓臺形狀，巖塞直徑7.3～8.1m，爆破試驗段長度11m，采用爆破一次成型、雙向貫通的方式。

4.2 貫通爆破試驗段施工

4.2.1 貫通爆破試驗分段

貫通爆破試驗段為預(yù)留的未貫通的30m洞段，洞徑8m。根據(jù)貫通爆破試驗段考慮進行3次爆破試驗。其中，爆破試驗段長度分別考慮5.5m、5.5m、11m，剩余的試驗段采用鉆爆法開挖。

4.2.2 貫通爆破試驗炮孔布置

貫通爆破試驗炮孔布置特性見表1，巖塞爆破試驗炮孔布置見圖1。

圖1 巖塞爆破試驗炮孔布置示意圖(單位：m)

表1 爆破試驗炮孔布置特性

4.2.3 貫通試驗段起爆網(wǎng)絡(luò)

主爆孔及掏槽孔采用連續(xù)裝藥，選用直徑40mm的藥卷，采用數(shù)碼電子雷管、高精度雷管起爆；輪廓孔采用藥卷直徑32mm炸藥間隔裝藥，導爆索傳爆。選用雙發(fā)雷管，并形成復式起爆網(wǎng)路。貫通爆破試驗起爆網(wǎng)路設(shè)計共布設(shè)6圈炮孔，孔外接力雷管選用9ms延時的高精度導爆雷管。

貫通爆破試驗起爆網(wǎng)路各圈炮孔孔外網(wǎng)路布置特性見表2，巖塞爆破試驗起爆網(wǎng)路見圖2。

表2 各圈炮孔孔外網(wǎng)路布置特性

圖3 巖塞爆破施工程序框圖

圖2 巖塞爆破試驗起爆網(wǎng)路示意圖

4.3 巖塞爆破施工方案

4.3.1 巖塞爆破施工程序

巖塞爆破施工程序見圖3。

4.3.2 巖塞體鉆孔施工

鉆孔前采用腳手架管搭設(shè)施工平臺，采用全站儀等儀器放樣布孔，并用自噴漆清晰標識每個炮孔的精確位置、統(tǒng)一編號等。嚴格按照要求進行鉆孔，采用YQ100B風動鉆機鉆直徑為90mm的炮孔。嚴格控制孔徑的變化，孔底偏斜誤差控制在±10cm，開孔誤差小于3cm，在不透水條件下孔深誤差小于20cm。炮孔施鉆完成后要進行驗孔，滿足要求后要重新統(tǒng)一編號、清孔，并做好孔口保護。裝藥前采用高壓水洗孔，吹干后驗孔裝藥。巖塞爆破鉆孔見圖4。

圖4 巖塞爆破鉆孔示意圖

4.3.3 巖塞爆破裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計

巖塞爆破選用全排孔爆破方案，采用設(shè)置空孔層的直線掏槽方式。巖塞爆破設(shè)置1個中心孔、6個空孔、39個主爆孔、8個輔助掏槽孔、8個掏槽孔、45個輪廓孔，共107個鉆孔。

4.3.3.1 掏槽孔裝藥

巖塞掏槽孔選用φ60乳化炸藥，每卷藥卷的重量約1.5kg，長度約45cm。巖塞掏槽孔采用連續(xù)裝藥，孔口堵塞長度為1.45m，掏槽孔單孔裝藥28.5kg，總裝藥量約256.5kg。

在掏槽孔孔口處布置高精度導爆管雷管1發(fā)、電子雷管1發(fā)，選用正向起爆；在爆孔孔底處同樣布置高精度導爆管雷管1發(fā)、電子雷管1發(fā)，選用反向起爆。

4.3.3.2 輔助掏槽孔裝藥

巖塞第H圈：輔助掏槽孔選用φ60乳化炸藥，采用連續(xù)裝藥方式，連續(xù)裝藥5.4m時改用φ32乳化炸藥(每卷藥卷的重量約0.2kg，長度約20cm)，孔口堵塞長度為1.4m，輔助掏槽孔單孔裝藥21.2kg，總裝藥量約169.6kg。

在輔助掏槽孔孔口處布置高精度導爆管雷管1發(fā)、電子雷管1發(fā)，選用正向起爆；在爆孔孔底處同樣布置高精度導爆管雷管1發(fā)、電子雷管1發(fā)，選用反向起爆。

4.3.3.3 主爆孔裝藥

巖塞第J圈、K圈：主爆孔選用φ60乳化炸藥，連續(xù)裝藥，孔口堵塞長度為1.45m，單孔裝藥28.5kg，39個主爆破孔總裝藥量約1111.5kg。

在主爆孔孔口處布置高精度導爆管雷管1發(fā)、電子雷管1發(fā)，選用正向起爆；在爆孔孔底處同樣布置高精度導爆管雷管1發(fā)、電子雷管1發(fā)，選用反向起爆。

4.3.3.4 周邊輪廓孔裝藥

周邊輪廓孔采用光面爆破方式，以控制爆破拉裂作用和減小爆破震動。周邊輪廓孔選用φ32乳化炸藥，孔口堵塞長度為0.8～1.2m。周邊輪廓孔距離孔底1.0m范圍內(nèi)連續(xù)裝藥采用兩節(jié)一捆的φ32乳化炸藥，當裝藥至距離孔底1.0m時改用單節(jié)φ32乳化炸藥繼續(xù)連續(xù)裝藥4.0m，然后間隔一節(jié)裝藥至堵塞段。周邊輪廓孔單孔裝藥7.9～8.1kg，總裝藥量約359.9kg。

經(jīng)統(tǒng)計，巖塞爆破需385.5kg的φ32乳化炸藥、1512kg的φ60乳化炸藥，共需炸藥總量1897.5kg。

巖塞爆破各圈炮孔藥量及單耗情況見表3。

表3 巖塞爆破各圈炮孔藥量及單耗

4.3.4 巖塞爆破起爆網(wǎng)路設(shè)計

巖塞爆破起爆網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)延時情況見表4。

表4 巖塞爆破起爆網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)延時

續(xù)表

5 巖塞爆破效果檢查

在巖塞爆破后，以巖塞口中心點為基準，選取 1∶100 的測量精度量測40m×40m水域范圍內(nèi)巖塞爆破前后地形變化、檢查爆破后巖塞口成型效果等，以此來檢驗巖塞爆破的效果和質(zhì)量。

6 結(jié) 語

a.在不修建水下圍堰的情況下，采用水下巖塞爆破技術(shù)開挖泄洪洞或引水洞進水口，不僅有利于減少施工資源投入、減少附加工程量、節(jié)省工程投資，而且有利于縮短施工工期、保證施工質(zhì)量、保護當?shù)氐淖匀画h(huán)境。

b.通過貫通段全排孔巖塞爆破試驗，檢驗了復式起爆網(wǎng)路的可靠性，并為正式巖塞爆破提供了爆破器材、爆破起爆網(wǎng)路設(shè)計、裝藥結(jié)構(gòu)及合理的爆破參數(shù)。

c.經(jīng)過多次爆破試驗研究，桓集隧洞工程水下巖塞爆破成功實施，驗證了巖塞爆破技術(shù)在大斷面隧洞環(huán)境下的應(yīng)用效果，達到了預(yù)期的目的，并為國內(nèi)如火如荼的水利工程建設(shè)提供了寶貴的施工經(jīng)驗。